CN108287353A - 天基无人机通讯卫星定位跟踪方法 - Google Patents

天基无人机通讯卫星定位跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种天基无人机通讯卫星定位跟踪方法，飞行物空间坐标的获得：利用至少4颗通讯卫星对飞行物的通讯数字信号进行采集，然后对所有采集到信号对比匹配，得到某一飞行物的某段通讯信号，并根据所述的某段通讯信号对时序进行标定分析，得到不同通讯卫星得到通讯信号的时间差，根据光速与时间关系，利用空间解析计算，得到所述的某一飞行物的空间坐标；飞行物的飞行方向和速度的获得：通过至少4颗通讯卫星的频偏，利用所述的某一飞行物与通讯卫星的多普勒效应频偏，分析某一飞行物相对通讯卫星的相对速度和方向，最后得到某一飞行物的飞行方向和速度。本发明可以无源定位飞行物的飞行方向和空间坐标。

Description

天基无人机通讯卫星定位跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种定位跟踪的方法，具体涉及一种天基无人机通讯卫星定位跟踪方法。
背景技术
当前定位方式有很多，GPS定位、基站定位等，但是都是基于GPS导航系统卫星不断地发射导航电文，接受定位的装置根据报文测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。但是对于军用、失事和隐形的飞行器往往只能接受到飞行物发出的通讯信号是唯一的可探测的分析的信号，监测多个通讯卫星如何根据很多天空中多飞行器的通讯信号的特征，对飞行器的通讯信号进行甄别，将多个卫星的监测的飞行物器信号建立一对一的关系，然后对该信号进行时偏和频偏进行空间位置和方向进行跟踪。
发明内容
为了克服现有的空中多目标军用、失事和隐形的飞行器无法进行雷达监测定位问题，本发明提供一种天基无人机通讯卫星定位跟踪方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种天基无人机通讯卫星定位跟踪方法，其特征在于：它包括：
飞行物空间坐标的获得：利用至少4颗通讯卫星对飞行物的通讯数字信号进行采集，然后对所有采集到信号对比匹配，得到某一飞行物的某段通讯信号，并根据所述的某段通讯信号对时序进行标定分析，得到不同通讯卫星得到通讯信号的时间差，根据光速与时间关系，利用空间解析计算，得到所述的某一飞行物的空间坐标；
飞行物的飞行方向和速度的获得：通过至少4颗通讯卫星的频偏，利用所述的某一飞行物与通讯卫星的多普勒效应频偏，分析某一飞行物相对通讯卫星的相对速度和方向，最后得到某一飞行物的飞行方向和速度；
所述的某一飞行物为所捕捉到的疑似飞行物。
按上述方案，所述的对所有采集到信号对比匹配具体包括：根据某颗通讯卫星采集的通讯信号作为样本，将最大的信号作为分母，对信号进行归一化，与其他的归一化卫星信号进行卷积，然后对卷积的信号进行对比，卷积最大的信号作为飞行物的同源信号，即所述的某一飞行物的某段通讯信号。
按上述方案，获取至少4颗通讯卫星对应的所述的同源信号，计算分析同源信号的时间差和频谱差；根据至少4颗卫星的时偏计算所对应的飞行物的空间坐标，根据至少4颗卫星的频偏计算所对应的飞行物的空间方向。
本发明的有益效果为：利用通信卫星信号进行甄别，得到至少4颗卫星对同一目标飞行器的通讯时偏和频偏，然后对飞行物的通讯信号时偏和频偏对飞行物的飞行方向进行计算得到空间位置和方向，从而可以无源定位飞行物的飞行方向和空间坐标，发现隐形、军事和隐蔽的飞行器。
附图说明
图1为微型机战采集通讯信号和频谱路线图。
图2为本发明一实施例的方法流程图。
图3为天基通信卫星跟踪飞行物空间解析图。
图4为模拟信号归一化之后卷积之后比对分析图。
图5为模拟信号卷积测量同源信号的时偏图。
图6为不同卫星数字信号或模拟信号的卷积时偏测量图。
图中：1-地面基站，F-飞行物，S1-第一通讯卫星，S2-第二通讯卫星，S3-第三通讯卫星，S4-第四通讯卫星。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种天基无人机通讯卫星定位跟踪方法，如图2所示，包括：
飞行物空间坐标的获得：利用至少4颗通讯卫星对飞行物的通讯数字信号进行采集，然后对所有采集到信号对比匹配，得到某一飞行物的某段通讯信号，并根据所述的某段通讯信号对时序进行标定分析，得到不同通讯卫星得到通讯信号的时间差，根据光速与时间关系，利用空间解析计算，得到所述的某一飞行物的空间坐标。
飞行物的飞行方向和速度的获得：通过至少4颗通讯卫星的频偏，利用所述的某一飞行物与通讯卫星的多普勒效应频偏，分析某一飞行物相对通讯卫星的相对速度和方向，最后得到某一飞行物的飞行方向和速度。
所述的某一飞行物为所捕捉到的疑似飞行物。
所述的对所有采集到信号对比匹配具体包括：根据某颗通讯卫星采集的通讯信号作为样本，将最大的信号作为分母，对信号进行归一化，与其他的归一化卫星信号进行卷积，然后对卷积的信号进行对比，卷积最大的信号作为飞行物的同源信号，即所述的某一飞行物的某段通讯信号。
获取至少4颗通讯卫星对应的所述的同源信号，计算分析同源信号的时间差和频谱差；根据至少4颗卫星的时偏计算所对应的飞行物的空间坐标，根据至少4颗卫星的频偏计算所对应的飞行物的空间方向。
本发明利用多颗通讯卫星对飞行物的通讯数字信号进行采集，然后对所有采集到信号对比匹配，得到某一飞行器的某段通讯信号，并根据某段通讯信号对时序进行标定分析，得到不同卫星得到信号的时间差，利用空间解析计算，得到飞行物的空间坐标。对于飞行方向，由于同一时间的信号时偏只能得到飞行物的空间坐标，不能得到飞行方向，为了得到飞行方向，本发明利用飞行器与卫星的多普勒效应频偏对飞行物的飞行方向进行监控。
如图1所示，多颗通讯卫星S1至S4采集飞行物F的坐标时，飞行物F的坐标通过通讯卫星发送到地面基站1。
利用5个通讯卫星采集10个飞行物的通讯频谱和信号，通讯卫星将10个飞行物的信号接受的时间、时序、编码、频率传送到地面基站，地面基站根据5个通讯卫星的传输的数据，进行比对，建立一对一的10组信号，然后选取一组同源数据的5个信号(即5个卫星采集到同一飞行器的数据信号)，选取4个信号的相同片段的，根据采集到时间分析5个卫星采集到的信号的时间差▽t12，▽t13，▽t14和▽t15，根据其频率得到频偏得到df1、df2、df3、df4。假设通讯卫星在天基的该时刻的空间位置A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3),D(x4，y4，z4)和E(x5，y5，z5),假设飞行物的坐标F(x0，y0，z0)，
公式，有
AF-BF＝▽t12*c (1)
AF-CF＝▽t13*c (2)
AF-DF＝▽t14*c (3)
AF-EF＝▽t15*c (4)
c为光速，解方程，得到飞行物的坐标(x0，y0，z0)。
利用3-10个通讯卫星采集飞行物的通讯频谱和信号，并将信号的频谱多普勒频偏和信号序列及时序发送到地面基站，地面基站将所有通讯卫星的采集到不同飞行物的信号序列及时序进行比对和匹配，选取4-5个通讯卫星的同一飞行物的信号序列及时序进行时偏分析，得到四个飞行物的接收到信号的时序差的▽t12、▽t13、▽t14和频偏▽f1、▽f2、▽f3、▽f4及飞机与卫星之间相对速度产生的通讯电波波长λ，卫星S1的速度v1(vx1,vy1,vz1)，卫星S2的速度v2(vx2,vy2,vz2)，卫星S3的速度v3(vx3,vy3,vz3)和卫星S4的速度v4(vx4,vy4,vz4)为卫星的空间飞行速度矢量,假设飞行物F的速度矢量v0(vx0,vy0,vz0)，
公式，有方程
v1-v0＝λ*▽f1 (5)
v2-v0＝λ*▽f2 (6)
v3-v0＝λ*▽f3 (7)
v4-v0＝λ*▽f4 (8)
联立方程求解得到飞行物的速度矢量v0(vx0,vy0,vz0)。联立三个公式(5)-(7)得到一个共轭解，根据公式(8)验证得到唯一解。
判断同源信号的方法：如图不同的飞行物发送的信号的频率会有不同，在地面站采集到多个飞行物的信号与地面站的多个卫星的传输的数据进行比对，对两者信号进行卷积运算，如果信号如图4第一幅图所示，那么进行对比的信号是同源信号，如果如第二，三幅图所示，那么进行对比的信号为非同源信号。
信号卷积比对方法：根据某颗通讯卫星采集的通讯信号作为样本，将最大的信号作为分母，对信号进行归一化，与其他的归一化卫星信号进行卷积，然后对卷积的信号进行对比，卷积最大的信号作为可能的比对目标飞行物的同源信号，然后将多颗卫星的卷积作为时偏和频偏的对象。同源信号的J0>J1，J2，J3，J4，.....................，Jn，如图4所示。
根据数字信号的时序分析，对不同卫星的数字信号的时序进行分析，如图6所示，对同源信号灯数字信号的时序进行对比分析，看个同源信号灯的时序差，然后根据时序的频率计算各同源信号的时差。
时偏卷积分析方法：将一样归一化本信号与其他归一化比对信号进行卷积，然后对各个卷积的峰值时间t，将各个峰值时间差作为时偏信号▽t12、▽t13、▽t14。如图5、6所示。
如果以S1为时偏的基准，建立S2、S3、S4的时偏，得到的▽t12、▽t13、▽t14，根据时间和时偏与光速度的关系有：
(9)式-(10)式得
同理：
根据(13)(14)(15)式移项，得：
根据(16)(17)(18)式移项，得：
根据(16)(17)(18)式移项，得：
根据(22)
同理可得：
(25)-(26)消除右边根号，整理得：
(25)-(35)消除右边根号，整理得：
同以上步骤，根据卫星S2、S3和S4的时偏之间的关系可以得到：
联立方程得到行列式：
解行列式得飞行物空间坐标有：
根据(9)至(27)运算模式，分别以卫星S1、S2、S3、S4、.....Sn为时偏基准，分别得到飞行物的(x0，y0，z0)|S1、(x0，y0，z0)|S2、(x0，y0，z0)|S3、(x0，y0，z0)|S4....(x0，y0，z0)|Snn个不同坐标，根据n个坐标进行均值，得到更为准确的飞行物坐标。
飞行物的通讯信号的频率获取，一般采用频谱仪对各个信号进行采集分析，由于基准频率各个飞行物不一定一样，本发明利用各个同源信号的频差进行分析测量。计算流程如下：假设：
v0(vx0,vy0,vz0)为飞行器F的速度矢量，卫星S1，的速度v1(vx1,vy1,vz1)，卫星S2，的速度v2(vx2,vy2,vz2)，卫星S3的速度v3(vx3,vy3,vz3)和卫星S4的速度v4(vx4,vy4,vz4)为卫星的空间飞行速度矢量。
卫星S1、S2、S3和S4与飞行器F的相对速度为和由于飞行物与卫星之间相对速度产生的通讯电波之间多普勒效应，飞行物与卫星之间的频偏为 之间的相对速度为：
卫星与飞行器的速度与频偏的关系有：
(33)式-(34)式，(33)式-(35)式，(33)式-(36)式，得到飞行物如果以S1为基准，建立飞行物与卫星S2、S3、S4频偏与卫星S1的频偏的相对频偏，有：
根据(33)至(40)运算模式，分别以卫星S1、S2、S3、S4、……Sn频偏为基准，分别得到飞行物的(vx0，vy0，vz0)|S1、(vx0，vy0，vz0)|S2、(vx0，vy0，vz0)|S3、(vx0，vy0，vz0)|S4、……(vx0，vy0，vz0)|Sn不同速度矢量分量，根据n个速度矢量分量进行均值，得到更为准确的飞行物速度矢量分量。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种天基无人机通讯卫星定位跟踪方法，其特征在于：它包括：
飞行物空间坐标的获得：利用至少4颗通讯卫星对飞行物的通讯数字信号进行采集，然后对所有采集到信号对比匹配，得到某一飞行物的某段通讯信号，并根据所述的某段通讯信号对时序进行标定分析，得到不同通讯卫星得到通讯信号的时间差，根据光速与时间关系，利用空间解析计算，得到所述的某一飞行物的空间坐标；
飞行物的飞行方向和速度的获得：通过至少4颗通讯卫星的频偏，利用所述的某一飞行物与通讯卫星的多普勒效应频偏，分析某一飞行物相对通讯卫星的相对速度和方向，最后得到某一飞行物的飞行方向和速度；
所述的某一飞行物为所捕捉到的疑似飞行物。
2.根据权利要求1所述的天基无人机通讯卫星定位跟踪方法，其特征在于：所述的对所有采集到信号对比匹配具体包括：根据某颗通讯卫星采集的通讯信号作为样本，将最大的信号作为分母，对信号进行归一化，与其他的归一化卫星信号进行卷积，然后对卷积的信号进行对比，卷积最大的信号作为飞行物的同源信号，即所述的某一飞行物的某段通讯信号。
3.根据权利要求2所述的天基无人机通讯卫星定位跟踪方法，其特征在于：获取至少4颗通讯卫星对应的所述的同源信号，计算分析同源信号的时间差和频谱差；根据至少4颗卫星的时偏计算所对应的飞行物的空间坐标，根据至少4颗卫星的频偏计算所对应的飞行物的空间方向。
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